משתמש:Yuvaltal/הרטבה
הרטבה (Wetting)[עריכת קוד מקור | עריכה]
הרטבה היא היכולת של נוזל לשמור על מגע עם משטח מוצק, הנוצרת מאינטראקציות מולקולאריות בזמן המגע בין השניים. מידת ההרטבה נקבעת על ידי מאזן הכוחות בין כוחות האדהזיה לבין כוחות הקוהזיה. הרטבה נוגעת לשלושת מצבי הצבירה של חומרים: גז, נוזל ומוצק. בימים אלו ההרטבה היא נושא מרכזי במחקרים בתחום הננוטכנולוגיה וננו-מדע עקב הופעתם של ננו-חומרים רבים בשני העשורים האחרונים (למשל גרפן[1], ננו-צינורית פחמן). הרטבה משחקת תפקיד חשוב מאוד בהתלכדות בין שני חומרים. הרטבה יחד עם כוחות פני השטח אחראית על מספר תופעות ביניהן אפקט הנימיות. צורתה של טיפה נוזלית היא כצורתה של ספרה קטומה או כיפה, ללא קשר למידת ההרטבה. בערך זה נעסוק במספר תת נושאים הקשורים להרטבה.
.jpg)
הסבר התופעה[עריכת קוד מקור | עריכה]
כוחות אדהזיה בין נוזל למוצק גורמים לטיפת נוזל להתפשט על פני משטח. כוחות קוהזיה הפועלים בתוך הטיפה מנסים לצמצם את המגע בין הנוזל למשטח המוצק על ידי יצירת צורת הטיפה. זווית המגע (θ), כמו שנראה
באיור 1, היא הזווית הנוצרת בנקודת המפגש בין הפאזה הנוזלית לבין הפאזה המוצקה והפאזה הגזית. זווית ההרטבה נוצרת בעקבות השפעת כוחות האדהזיה והקוהזיה. ככל שהנטייה של נוזל להתפשט על פני משטח מוצק גדלה, כך זווית המגע קטנה. לכן, זווית המגע משמשת כאומדן הפוך למידת ההרטבה[2]. זווית מגע אשר קטנה מ 90° (זווית מגע קטנה) תצביע לרוב על מידת הרטבה גבוהה, כלומר הנוזל יתפשט על פני שטח רחב. זווית מגע גדולה מ 90° (זווית הרטבה גדולה) תצביע לרוב על מידת הרטבה נמוכה, כלומר הנוזל ישאף למזער את המגע בינו לבין המשטח המוצק ועל כן ישמור על צורת טיפה כדורית.
עבור מים, משטח עם מידת הרטבה גבוהה נקרא גם משטח הידרופילי ואילו משטח בעל מידת הרטבה נמוכה נקרא גם משטח הידרופובי. משטח בעל זווית מגע גדולה מ 150° יקרא משטח סופר-הידרופובי, במשטח מסוג זה שטח המגע בין טיפת הנוזל למשטח תהייה מזערית. הטבלה המצורפת מתארת את מידת ההרטבה וחוזק הקשרים בתוך הטיפה, ובין הטיפה למשטח[3].
משטחים בעלי אנרגיה גבוהה לעומת משטחים בעלי אנרגיה נמוכה[עריכת קוד מקור | עריכה]
ישנם שני סוגים עיקריים של משטחים איתם יכולים נוזלים לבוא במגע. באופן מסורתי משטחים מוצקים חולקו לשני סוגים, אלו בעלי אנרגיה גבוהה ואלו בעלי אנרגיה נמוכה. האנרגיה היחסית של מוצקים נקבעת לפי התכונות הטבעיות של המוצק עצמו. מוצקים כגון מתכות, זכוכית וחומרים קרמים ידועים כחומרים חזקים מכיוון שהקשרים המולקולרים (קשרים קוולנטיים, יונים או מתכתיים) חזקים מאוד. על מנת לפרק קשרים אלו ולשבור את החומר יש צורך להשקיע כמות אנרגיה גדולה ועל כן מוצקים אלו נקראים "בעלי אנרגיה גבוהה". רוב הנוזלים מגיעים להרטבה מלאה כאשר הם באים במגע עם משטחים בעלי אנרגיה גבוה.
הסוג השני של מוצקים הוא קריסטלים חלשים (למשל הידרוקרבון), במוצקים אלו הקשרים בין המולקולות הינם קשרים פיזיים (קשרי ואן דר ואלס, קשר מימני) אשר חלשים יותר. מכיוון שהקשרים המרכיבים את המוצקים האלו חלשים יחסית, יש צורך במעט אנרגיה על מנת לשבור אותם ועל כן הם נקראים "בעלי אנרגיה נמוכה". כאשר נוזלים באים במגע עם משטחים מסוג זה הם יכולים להגיע להרטבה חלקית או מלאה, תלוי בסוג הנוזל[4][5].
הרטבה במשטחים בעלי אנרגיה נמוכה[עריכת קוד מקור | עריכה]
משטחים בעלי אנרגיה נמוכה מגיבים לרוב עם נוזלים על ידי כוחות פיזור (ואן דר ואלס*). ויליאם זיסמן היה זה שמצא מספר ממצאי מפתח בנושא:
- זיסמן גילה ש cos θ גדלה בצורה ליניארית בזמן שמתח הפנים של הנוזל (γLV) יורד. בעקבות גילוי
זה זיסמן פיתח קשר ריבועי בין cos θ למתח הפנים (γLV) עבור מגוון נוזלים אורגניים. כאשר γLV נמוך ו θ קטנה מידת ההרטבה של משטח גדלה. זיסמן קבע שכאשר cos θ = 1 מתקבל מתח הפנים הקריטי של המשטח (γc). מתח הפנים הקריטי הינו פרמטר חשוב מכיוון שהוא קריטריון של המוצק בלבד. כאשר יודעים את מתח הפנים הקריטי של מוצק ניתן להעריך את מידת ההרטבה של אותו משטח.
- מידת ההרטבה של משטח נקבעת על ידי ההרכב הכימי החיצוני של
המוצק.
- ההבל במידת ההרטבה בין משטחים הדומים אחד לשני בתכונות הכימיות נובע
מאריזה שונה של האטומים במוצק. למשל מוצק בעל שרשראות מסועפות יהיה בעל מארז אטומי פחות טוב ממוצק בעל שרשראות ישרות.
- ^ <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Wetting#cite_ref-1" style="color: rgb(11, 0, 128);">^</a> J Rafiee, X Mi, H Gullapalli, AV Thomas, F Yavari, Y Shi, PM Ajayan, NA Koratkar, Wetting transparency of graphene, Nature Materials 11 (3), 217-222.
- ^ ^ <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Wetting#cite_ref-sharfin_2-0" style="text-decoration: underline; color: rgb(11, 0, 128);">Jump up to:a</a> <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Wetting#cite_ref-sharfin_2-1" style="color: rgb(11, 0, 128);">b</a> Sharfrin, E.; Zisman, William A. (1960). "Constitutive relations in the wetting of low energy surfaces and the theory of the retraction method of preparing monolayers". The Journal of Physical Chemistry 64 (5): 519–524.
- ^ ^ <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Wetting#cite_ref-Eustat_3-0" style="color: rgb(11, 0, 128);">Jump up to:a</a> <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Wetting#cite_ref-Eustat_3-1" style="color: rgb(11, 0, 128);">b</a> Eustathopoulos, N.; Nicholas, M.G. and Drevet B. (1999). Wettability at high temperatures. Oxford, UK: Pergamon.
- ^ <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Wetting#cite_ref-4" style="color: rgb(11, 0, 128);">^</a> Schrader, M.E; Loeb, G.I. (1992). Modern Approaches to Wettability. Theory and Applications. New York: Plenum Press.
- ^ <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Wetting#cite_ref-de_Gennes_5-0" style="color: rgb(11, 0, 128);">^</a> de Gennes, P.G. (1985). "Wetting: statics and dynamics". Reviews of Modern Physics 57 (3): 827–863.